本文選自中國工程院院刊《中國工程科學(xué)》2023年第6期
作者：潘新慧，陳人杰，吳鋒
來源：電化學(xué)儲能技術(shù)發(fā)展研究[J].中國工程科學(xué),2023,25(6):225-236.
編者按
電化學(xué)儲能是解決可再生能源高比例消納的重要手段，是促成“源網(wǎng)荷儲”協(xié)調(diào)運(yùn)行的關(guān)鍵裝置。作為新型儲能的主流技術(shù)、未來能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的核心技術(shù)，電化學(xué)儲能技術(shù)亟需深入發(fā)展方可適應(yīng)儲能規(guī)?？焖僭鲩L、儲能系統(tǒng)更為復(fù)雜所帶來的挑戰(zhàn)。
中國工程院吳鋒院士研究團(tuán)隊(duì)在中國工程院院刊《中國工程科學(xué)》2023年第6期發(fā)表《電化學(xué)儲能技術(shù)發(fā)展研究》一文。文章從需求背景、發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢及挑戰(zhàn)等角度開展電化學(xué)儲能技術(shù)的研究綜述，進(jìn)而研判相應(yīng)技術(shù)體系的構(gòu)建重點(diǎn)、提出行業(yè)發(fā)展建議，以期為新型電力系統(tǒng)構(gòu)建、儲能行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展等研究提供基礎(chǔ)參考。
一、前言
化石能源資源短缺、能源結(jié)構(gòu)不合理、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，成為制約經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。電化學(xué)儲能是支撐能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)之一，相應(yīng)產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于新能源汽車、數(shù)據(jù)中心、通信基站、重大裝備、儲能電站等，成為構(gòu)建電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)裝備、促進(jìn)節(jié)能提效的重要依托?！丁笆奈濉毙滦蛢δ馨l(fā)展實(shí)施方案》（2022年）提出，加強(qiáng)儲能技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略性布局，積極實(shí)施新型儲能關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)支持政策。相關(guān)行業(yè)政策將促進(jìn)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)大調(diào)整、引導(dǎo)新型儲能行業(yè)加速布局、助力綠色低碳轉(zhuǎn)型。
近年來，我國作出了構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、加快規(guī)劃建設(shè)新型能源體系的戰(zhàn)略部署，這是能源電力轉(zhuǎn)型的必然要求、實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的重要途徑。電化學(xué)儲能是新型電力系統(tǒng)的重要組成部分、解決可再生能源間歇性和不穩(wěn)定性的重要手段，也是涉及“源網(wǎng)荷儲”協(xié)調(diào)運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)；具有調(diào)節(jié)速度快、布置靈活、建設(shè)周期短、環(huán)境友好等獨(dú)特優(yōu)勢，有助于解決可再生能源發(fā)電的不連續(xù)、不可控問題，保障電力系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定輸出電能，更大程度上替代化石燃料發(fā)電，克服傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組不能快速切換爬坡方向、易反調(diào)的缺陷。中國能源研究會儲能專委會 / 中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟的全球儲能項(xiàng)目庫統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2022年我國新增投運(yùn)電力儲能項(xiàng)目的裝機(jī)規(guī)模突破15 GW，同比增長114%；其中，新型儲能的新增規(guī)模達(dá)到7.3 GW/15.9 GW·h，功率規(guī)模、能量規(guī)模分別同比增長200%、280%。可再生能源的快速發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的不斷滲透，為電化學(xué)儲能的規(guī)?；l(fā)展確定了基礎(chǔ)。
當(dāng)前，電化學(xué)儲能技術(shù)的電力系統(tǒng)應(yīng)用研究已有開展。在用戶端，電化學(xué)儲能價(jià)值明確。在用電量大、具有明顯電價(jià)差的工業(yè)企業(yè)或工業(yè)園區(qū)，配置儲能可以平抑尖峰負(fù)荷、降低用電基本容量、節(jié)省電費(fèi)支出；在第五代移動通信（5G）基站上配置儲能裝置，通過閑時(shí)充電、忙時(shí)放電來實(shí)現(xiàn)電力供需的“削峰填谷”；在能耗高、需要不間斷供電的數(shù)據(jù)中心，儲能可提高供電可靠性，通過“削峰填谷”、容量調(diào)配來提高設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性；在微電網(wǎng)配置儲能，可緩解對電網(wǎng)的超負(fù)荷需求，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)配置優(yōu)化。然而，隨著儲能市場規(guī)?？焖僭鲩L、儲能系統(tǒng)趨于復(fù)雜，電化學(xué)儲能技術(shù)在關(guān)鍵材料、制備工藝、系統(tǒng)集成等方面面臨著諸多新問題與新挑戰(zhàn)。現(xiàn)有研究側(cè)重于材料修飾改性、器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，而對器件與系統(tǒng)的有效匹配、多尺度構(gòu)效關(guān)系等關(guān)注不足。
構(gòu)建清潔低碳、安全高效的新型儲能體系，深入探討電化學(xué)儲能電池在示范應(yīng)用過程中的技術(shù)壁壘，極具迫切性。為此，文章從需求背景、發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢及挑戰(zhàn)等角度開展電化學(xué)儲能技術(shù)的研究綜述，進(jìn)而研判相應(yīng)技術(shù)體系的構(gòu)建重點(diǎn)、提出行業(yè)發(fā)展建議，以期為新型電力系統(tǒng)構(gòu)建、儲能行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展等研究提供基礎(chǔ)參考。
二、電化學(xué)儲能發(fā)展的需求背景
隨著電化學(xué)儲能技術(shù)成熟度的提高，儲能電池應(yīng)用場景進(jìn)一步拓寬。從電力系統(tǒng)的角度看，主要應(yīng)用分為電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)三大場景。
（一）電源側(cè)儲能
電源側(cè)儲能的應(yīng)用需求規(guī)模最大，包括改善能源涉網(wǎng)特征、參與輔助服務(wù)、優(yōu)化潮流分布并緩解堵塞、應(yīng)急救援等細(xì)分方向；重在維持電網(wǎng)的平衡需求，減少棄風(fēng)棄光，確保風(fēng)、光發(fā)電的順利并網(wǎng)。典型的應(yīng)用場景是高比例可再生能源電力系統(tǒng)中的“削峰填谷”。近年來，風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、海洋能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉传@得快速發(fā)展，以不斷提高非化石能源的消費(fèi)比重。根據(jù)《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒2022》《中國礦產(chǎn)資源報(bào)告2022》數(shù)據(jù)，我國可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量占比由2020年的42.5%上升至2022年的49.6%。預(yù)計(jì)2025年的可再生能源發(fā)電裝機(jī)占比將超過50%?？稍偕茉吹目焖侔l(fā)展，離不開儲能裝備在電力系統(tǒng)中的有效配合。
2022年，我國投運(yùn)的電化學(xué)儲能電站項(xiàng)目共有472個(gè)，總功率為18.59 GW，總能源為14.05 GW·h（同比增長146.48%）。新疆維吾爾自治區(qū)喀什市莎車縣建設(shè)了國內(nèi)最大的電化學(xué)儲能電站（800 MW光伏+200 MW/800 MW·h儲能一體化），電站采用了磷酸鐵鋰電池和先進(jìn)的儲能系統(tǒng)控制技術(shù)，每年可發(fā)電2.92×108 kW·h，減少CO2排放2.3×105 t；位于河北省張家口市張北縣的國家風(fēng)光儲輸示范工程一期和二期，安全運(yùn)行超3000 d，綠色電能累計(jì)輸出接近8000 GW·h，有效化解了新能源發(fā)電穩(wěn)定性與輸電安全性方面的瓶頸問題，實(shí)現(xiàn)了新能源出力狀態(tài)的全方位預(yù)測、控制及監(jiān)控。
（二）電網(wǎng)側(cè)儲能
電網(wǎng)側(cè)儲能需求主要源自提升電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力與安全穩(wěn)定水平、提高電網(wǎng)供電能力與應(yīng)急供電保障質(zhì)量、延緩輸變電升級改造投資。在配電網(wǎng)中，儲能可補(bǔ)充電力供應(yīng)不足，治理配電網(wǎng)薄弱地區(qū)的“低電壓”或分布式能源接入后引起的“高、低電壓”問題，解決季節(jié)電荷、臨時(shí)用電不符合增容擴(kuò)建條件下的配網(wǎng)供電需求。江蘇省昆山市儲能電站工程是全球單體容量最大的電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲能電站，有效克服了負(fù)荷峰谷差連年加大的局面，減輕了本地新能源規(guī)?；⒕W(wǎng)給電網(wǎng)安全運(yùn)維造成的沖擊，平抑了風(fēng)電和光伏發(fā)電的出力波動，增強(qiáng)了電網(wǎng)對可再生能源的消納能力。
數(shù)據(jù)中心用電是另一類代表，涉及應(yīng)急電源、常用電源，電化學(xué)儲能在這兩方面均起到穩(wěn)定供電的作用。百度云計(jì)算（陽泉）中心項(xiàng)目采用了綠色低碳數(shù)據(jù)系列節(jié)能技術(shù)，由分布式鋰電池備電系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的鉛酸電池備電系統(tǒng)；當(dāng)市電異常時(shí)，分布式鋰電池備電系統(tǒng)通過直流母線為服務(wù)器供電，起到后備電源功能；服務(wù)器機(jī)柜上線后，供電效率高達(dá)99.5%，節(jié)省機(jī)房面積超過25%，節(jié)約電量約為400 MW·h/a。華為數(shù)字能源技術(shù)有限公司提出的Smart DC低碳綠色數(shù)據(jù)中心解決方案中，采用磷酸鐵鋰電芯配合致密電池封裝技術(shù)構(gòu)建智能鋰電裝置，占地面積和裝置質(zhì)量均為鉛酸電池方案的1/3，顯著減少運(yùn)輸過程的碳排放。
（三）用戶側(cè)儲能
用戶側(cè)儲能需求主要指與工商業(yè)、戶用等分布式電源配套或獨(dú)立工作的儲能電站應(yīng)用，以滿足電力自發(fā)自用、終端用戶的峰谷價(jià)差套利、容量費(fèi)用管理、電能質(zhì)量提升、降低電價(jià)以及新能源汽車充電時(shí)負(fù)荷平滑、供電可靠性保障等需求。江蘇省張家港市海螺水泥廠儲能電站工程總?cè)萘繛? MW/32 MW·h，其中儲能系統(tǒng)采用了電力價(jià)差、“削峰填谷”等措施來減少電力消耗成本，將傳統(tǒng)沉沒成本轉(zhuǎn)化為創(chuàng)造收益的電力投資。電動汽車的動力電池作為用戶側(cè)分散式新型儲能裝置，以充 / 換電基礎(chǔ)設(shè)施為“橋梁”參與需求側(cè)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的實(shí)時(shí)互動，發(fā)揮負(fù)荷“削峰填谷”作用，從而支持構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、促進(jìn)實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)。2008年北京奧運(yùn)會上僅有601輛新能源汽車投入使用，同期鋰離子電池產(chǎn)業(yè)處于初創(chuàng)期和積累期，產(chǎn)品類型單一、技術(shù)穩(wěn)定性不佳、政策支持力度不足。隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，能源需求量逐年提高，新能源汽車產(chǎn)量規(guī)?？焖僭鲩L，動力電池產(chǎn)業(yè)也從導(dǎo)入期轉(zhuǎn)向成長期，裝備制造技術(shù)更加成熟，產(chǎn)品綜合性能穩(wěn)步提升。實(shí)踐表明，新能源汽車有望替代傳統(tǒng)燃油車，從而減少化石燃料消耗、控制城市空氣污染。
在軍事裝備領(lǐng)域，微型無人偵察機(jī)、單兵化智能作戰(zhàn)系統(tǒng)、無人水下航行器、潛艇等都需要高比能二次電池提供能量，且相應(yīng)需求的技術(shù)指標(biāo)要求越來越高。例如，美國軍隊(duì)使用BB-2590型鋰離子電池代替BB-390鎘鎳電池，新電池的工作時(shí)間>30 h，顯著延長了單兵裝置的使用時(shí)間，獲得作戰(zhàn)人員的好評；英國、德國、法國、意大利等國家也將鋰離子電池單兵電源列入單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)發(fā)展計(jì)劃。英國BAE系統(tǒng)公司研制的多用途潛航器，將動力電源更換為可工作24 h的鋰離子電池，顯著提高了探雷、滅雷的作業(yè)效率。此外，電化學(xué)儲能對航空航天領(lǐng)域的新裝備發(fā)展起到支撐作用。
三、電化學(xué)儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
（一）戰(zhàn)略布局日漸完善
在新一輪能源革命的驅(qū)動下，各國高度重視電化學(xué)儲能技術(shù)發(fā)展，主要從原料端、制造端、應(yīng)用端開展戰(zhàn)略布局。
1. 原料端
各國關(guān)注電池原材料的供應(yīng)鏈穩(wěn)定性，制定了電池關(guān)鍵材料的安全供應(yīng)舉措。歐盟為降低供應(yīng)材料風(fēng)險(xiǎn)，將金屬材料、礦產(chǎn)材料作為“綠色歐洲”的關(guān)鍵要素，2011年首次發(fā)布關(guān)鍵材料原料清單，將14種具有重大經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略價(jià)值的原材料納入清單；每3年更新一次清單，及時(shí)反映生產(chǎn)、市場、技術(shù)等動態(tài)。2018年，歐盟實(shí)施“地平線2020”計(jì)劃項(xiàng)目，發(fā)布了《歐盟原材料2050愿景與科技和創(chuàng)新路線圖》，強(qiáng)調(diào)關(guān)鍵原材料的可持續(xù)供應(yīng)。美國高度重視關(guān)鍵礦物清單，將關(guān)鍵礦產(chǎn)材料增加到50種（與電池相關(guān)的有15種）；發(fā)布的《國家鋰電藍(lán)圖（2021—2030年）》，涉及鋰、鈷、鎳等電池關(guān)鍵材料的獲取和替代品研發(fā)，鋰電產(chǎn)業(yè)發(fā)展，鋰電池回收利用等。日本更新了《蓄電池產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略》，將電池金屬材料等列為高風(fēng)險(xiǎn)礦種，制定了趕超競爭對手的新一代電池技術(shù)市場發(fā)展舉措。英國、日本建立了國家貿(mào)易伙伴關(guān)系，鼓勵各自企業(yè)投資海外多元化供應(yīng)鏈，確保電池產(chǎn)業(yè)原材料的全球戰(zhàn)略儲備。韓國提出加強(qiáng)政府間合作等舉措，增強(qiáng)電池材料礦物的穩(wěn)定供應(yīng)能力。
我國是關(guān)鍵礦產(chǎn)材料的消費(fèi)大國且對外依賴度較高，已將關(guān)鍵礦產(chǎn)高效利用納入《科技支撐碳達(dá)峰碳中和實(shí)施方案（2022—2030年）》，“戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源開發(fā)利用”“循環(huán)經(jīng)濟(jì)關(guān)鍵技術(shù)與裝備”等科技重點(diǎn)專項(xiàng)；組織實(shí)施《戰(zhàn)略性礦產(chǎn)找礦行動（2021—2035年）》，加大對鋰、鈷、鎳、離子型稀土等關(guān)鍵礦產(chǎn)的找礦投入，推進(jìn)勘查礦種的結(jié)構(gòu)調(diào)整和布局優(yōu)化。
2. 制造端
美國較早成立了儲能聯(lián)合研究中心，制定了“電池500”計(jì)劃。美國能源部發(fā)布的《儲能大挑戰(zhàn)路線圖》（2020年）提出，在儲能技術(shù)制造方面積極開展行動，梳理相應(yīng)的技術(shù)障礙和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，通過技術(shù)創(chuàng)新降低制造成本，制定系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測試標(biāo)準(zhǔn)，2030年實(shí)現(xiàn)本土的儲能技術(shù)、設(shè)備開發(fā)與制造能力全面滿足自身市場需求。《歐洲儲能技術(shù)發(fā)展路線圖》（2017年）提出，組建歐洲電池聯(lián)盟、歐洲技術(shù)與創(chuàng)新平臺“電池歐洲”，推進(jìn)“電池2030+”聯(lián)合計(jì)劃，開發(fā)和驗(yàn)證涉及多物理量的多尺度模型，實(shí)現(xiàn)未來電芯制造過程的智能化。韓國制定的《2030二次電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略》（2021年）提出，研發(fā)新一代電池技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池、鋰硫電池、鋰金屬電池的商業(yè)化；設(shè)立了電池研發(fā)政府創(chuàng)新基金，重點(diǎn)扶持中小企業(yè)的電池研發(fā)項(xiàng)目，推動電池關(guān)鍵材料、器件及裝備的規(guī)?；a(chǎn)。
我國高度重視儲能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，發(fā)布了《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃（2016—2030年）》《中國制造2025》《“十四五”新型儲能發(fā)展實(shí)施方案》等政策文件，支持鈉離子電池、無鈷電池、刀片電池、無模組電池包（CTP）集成等電池技術(shù)的創(chuàng)新突破。
3. 應(yīng)用端
2016年，美國發(fā)布了投資稅收減免政策：先進(jìn)儲能技術(shù)可申請投資稅收減免，通過獨(dú)立部署、并入微網(wǎng)或可再生能源發(fā)電系統(tǒng)等形式運(yùn)行。在補(bǔ)貼方面，自發(fā)電激勵計(jì)劃（SGIP）是美國歷時(shí)最長的分布式發(fā)電激勵政策，以鼓勵用戶側(cè)分布式發(fā)電；儲能被納入SGIP的支持范圍，可獲得2美元/W的補(bǔ)貼支持。韓國分別為電池關(guān)鍵材料研發(fā)、基礎(chǔ)設(shè)施投資提供50%、20%的減稅額度，2025年電池儲能有望達(dá)到60 GW·h，2030年擬占據(jù)全球市場40%的份額。日本重點(diǎn)布局全固態(tài)鋰離子電池、超越鋰離子的新型電池研發(fā)項(xiàng)目，通過《經(jīng)濟(jì)安全保障推進(jìn)法》（2022年）明確了對蓄電池的支持措施（補(bǔ)貼電池工廠設(shè)備投資的1/3）。
我國新型儲能技術(shù)到2030年將全面實(shí)現(xiàn)市場化發(fā)展，關(guān)鍵技術(shù)自主可控，商業(yè)模式和標(biāo)準(zhǔn)體系健全，與電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)深度融合。
（二）關(guān)鍵材料不斷突破
發(fā)展高性能關(guān)鍵材料是升級電化學(xué)儲能技術(shù)的重要基礎(chǔ)，也是解決化石能源危機(jī)和環(huán)境污染、支持“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的重要途徑。電芯是電化學(xué)儲能系統(tǒng)的核心部件，其構(gòu)成主要包括正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜、其他非活性材料等。
1. 正極材料
正極材料結(jié)構(gòu)及其組成是直接決定電池能量密度的關(guān)鍵因素，在保證電池的可逆容量方面起著重要作用。正極材料的改性手段主要有表界面工程、體相摻雜、形貌控制等。
鋰離子電池這一技術(shù)路線發(fā)展得最為成熟，主流的鋰離子電池正極材料有高鎳低鈷或無鈷三元正極材料、尖晶石型高壓鎳錳酸鋰正極材料、富鋰錳基層狀正極材料、橄欖石型磷酸鐵鋰正極材料等。在電極材料改性方面，采用微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化、表面改性相結(jié)合的方法，顯著提升了高鎳材料（Li(Ni0.93Co0.03Mn0.03Al0.01)O2）正極的循環(huán)穩(wěn)定性（循環(huán)次數(shù)達(dá)4000周，容量保持率達(dá)79.2%）。表面包覆的F和體相摻雜的Sb，在正極材料表面形成穩(wěn)定堅(jiān)固的正極 – 電解質(zhì)層，能夠有效抑制材料的性能衰退。重慶理英新能源科技有限公司采用超薄納米層表面修飾、優(yōu)勢晶面可控生長、分級結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等技術(shù)開發(fā)的鋰離子電池產(chǎn)品，比容量為300 mA·h/g，表現(xiàn)出高放電容量、高壓實(shí)密度、優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性，優(yōu)于市場同類產(chǎn)品。常州鋰源新能源科技有限公司研制的新型球狀磷酸鐵鋰正極材料，在-20 ℃條件下放電容量保持率從55%提升到85%，在-40 ℃條件下放電容量保持率從接近0提升到57%，是鋰離子電池產(chǎn)品的重大技術(shù)突破。
鈉離子電池這一技術(shù)路線尚處于演進(jìn)過程中。按照材料成分劃分，鈉離子正極材料主要有層狀氧化物、普魯士藍(lán)類似物、聚陰離子等。層狀氧化物材料具有制備方法簡單、比容量大、電壓高等優(yōu)點(diǎn)，是工程化開發(fā)的優(yōu)選材料，但存在結(jié)構(gòu)相變復(fù)雜、循環(huán)壽命偏短等問題。2014年，研究人員首次發(fā)現(xiàn)Cu2+/ Cu3+氧化還原電對在鈉離子氧化物中具有活性，據(jù)此設(shè)計(jì)了一系列不含Ni/Co、空氣穩(wěn)定性良好、成本較低的氧化物正極材料。2020年，中國科學(xué)院物理研究所研究團(tuán)隊(duì)受鋰離子電池高比能三元正極材料（LiNixCoyMn1-x-yO2）的啟發(fā)，采用價(jià)格低廉的Fe替代有毒且昂貴的Co，制備出一系列富Ni的O3-Na[NixFeyMn1-x-y]O2氧化物正極材料；相關(guān)材料在2~4.2 V電壓范圍內(nèi)表現(xiàn)出190 mA·h/g的高可逆比容量，組裝的鈉離子全電池可提供345 W·h/kg的高比容量。2022年，研究人員基于界面工程策略，采用生物質(zhì)裂解氣體電解質(zhì)、有序碳涂層集流體、層狀氧化物正極，制備了具有協(xié)同界面的高比能鈉電池；組裝的安時(shí)級鈉電池能量密度高于200 W·h/kg，明顯優(yōu)于常規(guī)磷酸鐵鋰 / 石墨鋰電池的平均水平（180 W·h/kg）。除了層狀氧化物正極材料以外，聚陰離子正極、普魯士藍(lán)正極也是富有潛力的關(guān)鍵材料類型。
新型體系電池的技術(shù)路線尚處于研發(fā)期。相比鋰離子電池，鋰硫電池具有能量密度高、成本低廉、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，但其倍率性能、循環(huán)性能、安全性能較差，相較商業(yè)化要求仍有明顯差距。北京理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)率先提出采用輕元素、多電子、多離子反應(yīng)體系實(shí)現(xiàn)電池能量密度跨越式提升的發(fā)展策略，打破了單電子反應(yīng)（n=1）的思維定勢?；谀栙|(zhì)量輕、具有多電子反應(yīng)的活性電極材料，設(shè)計(jì)了高能量密度電池的系列樣品。針對硫正極電子導(dǎo)電性差、體積變化劇烈以及充 / 放電過程中易產(chǎn)生“穿梭效應(yīng)”等問題，設(shè)計(jì)了具有三維多孔層狀結(jié)構(gòu)的碳 / 硫復(fù)合材料、具有核殼結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電聚合物 / 硫復(fù)合材料，構(gòu)建了三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和Li+擴(kuò)散的多孔通道，使材料比容量>1300 mA·h/g，是商用鋰離子電池正極的8~10倍。針對活性物質(zhì)流失、影響電極穩(wěn)定性的問題，采用納米限域、聚合物包覆等技術(shù)來抑制活性物質(zhì)的溶解流失，使循環(huán)壽命達(dá)到原有電極的5倍。通過雙“費(fèi)歇爾酯化”反應(yīng)得到的橢球形微米碳結(jié)構(gòu)正極材料，顯著提高了正極材料單位面積載硫量，相應(yīng)電池的能量密度達(dá)到651 W·h/kg。
2. 負(fù)極材料
負(fù)極材料是電池器件的重要組成部分。國家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目對鋰離子電池的基礎(chǔ)前沿研究及產(chǎn)業(yè)化等均提出了具體指標(biāo)要求，如新型鋰離子電池樣品能量密度>400 W·h/kg、電池單體能量>300 W·h/kg。石墨負(fù)極的比容量僅為372 mA·h/g，憑借石墨負(fù)極材料容量無法達(dá)到相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求。硅基材料具有理論容量高（4200 mA·h/g）、環(huán)境友好、儲能豐富等優(yōu)點(diǎn)，被視為下一代高能量密度鋰離子電池的負(fù)極材料類型。
硅基負(fù)極材料是替代傳統(tǒng)石墨材料的主要技術(shù)路線，但在嵌 / 脫鋰過程中會發(fā)生顯著的體積膨脹效應(yīng)，因膨脹導(dǎo)致的不穩(wěn)定固體電解質(zhì)膜將造成循環(huán)穩(wěn)定較差、容量衰減嚴(yán)重。南方科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出了一種多級碳結(jié)構(gòu)策略，使用熱化學(xué)氣相沉積方法將垂直石墨烯片錨定在亞微觀分散的Si-C復(fù)合納米球表面并進(jìn)一步嵌入碳基質(zhì)；形成的三維導(dǎo)電和魯棒網(wǎng)絡(luò)，顯著提高了電導(dǎo)率，有效抑制了硅的體積膨脹，增強(qiáng)了電荷傳輸和電極材料的穩(wěn)定性，使電池表現(xiàn)出卓越的快速充電能力。天津大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了將金屬銅引入化學(xué)氣相沉積過程的方法，構(gòu)建了具有良好化學(xué)鍵合作用的共價(jià)包覆微米硅結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了微米硅負(fù)極穩(wěn)定循環(huán)的鋰儲存。中國科學(xué)院物理研究所研究團(tuán)隊(duì)針對Si-C復(fù)合負(fù)極的電化學(xué)和膨脹行為研究需求，提出了一種耦合的機(jī)械 – 電化學(xué)模型，在未來高能量密度、高安全性電池設(shè)計(jì)方面具有良好應(yīng)用前景。針對硅基材料開展的一系列摻雜、包覆、復(fù)合、造孔、納米結(jié)構(gòu)等工作，有效緩解了嵌 / 脫鋰的體積變化，顯著提升了循環(huán)性能和導(dǎo)電性。
碳基材料逐漸成為鈉離子電池的主流材料類型，相關(guān)研究集中在石墨類材料、無定型碳材料、納米碳材料。石墨類負(fù)極材料具有完整的層狀結(jié)構(gòu)，但鈉離子難以嵌入到石墨層間，不易與碳原子形成穩(wěn)定的化合物。硬碳材料相比石墨材料普遍具有更好的儲能性能，但較多采用的生物質(zhì)或人工合成樹脂前驅(qū)體，具有成本較高、產(chǎn)碳率偏低的劣勢。軟碳具有更為有序的結(jié)構(gòu)、更少的缺陷、更短的層間距，但比容量遠(yuǎn)低于硬碳。為了提高碳基材料的產(chǎn)碳效率并降低制備成本，發(fā)展了多類鈉離子儲存機(jī)制，如“插層 – 填孔”“吸附 – 插層”“吸附 – 填孔”“吸附 – 插層 – 填孔”等。目前常用的硬碳前驅(qū)體主要是毛竹、椰殼、淀粉、核桃殼等生物基高分子材料，具有豐富的雜原子、獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)。通過碳化植物生物質(zhì)基材制備的硬碳，保留了植物生物質(zhì)模板中的材料結(jié)構(gòu)和孔隙通道，對鈉離子電池性能具有較大的影響。中南大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用廢棄木材制備硬碳材料，通過化學(xué)預(yù)處理和低溫?zé)峤庹{(diào)節(jié)了紅木衍生硬碳的微孔結(jié)構(gòu)，獲得了硬質(zhì)碳中鈉儲存結(jié)構(gòu)；樣品在20 mA/g場景下表現(xiàn)出430 mA·h/g的高可逆容量以及良好的倍率與循環(huán)性能。在碳基負(fù)極材料以外，嵌入型鈦基材料也受到較多關(guān)注，但相應(yīng)合金及其他負(fù)極材料在嵌 / 脫鈉前后的體積變化較大，加之在循環(huán)過程中易粉化，短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
3. 電解質(zhì)
電解質(zhì)是決定電池能量密度、循環(huán)壽命、工作溫度、安全性能的關(guān)鍵材料，按照形態(tài)分為液體電解質(zhì)、固態(tài)電解質(zhì)、固液混合電解質(zhì)。液體電解質(zhì)是技術(shù)發(fā)展最為成熟的電解質(zhì)類型，又細(xì)分為有機(jī)液體電解質(zhì)、室溫離子液體電解質(zhì)。有機(jī)液體電解質(zhì)具有電化學(xué)穩(wěn)定性好、凝固點(diǎn)低、沸點(diǎn)高等優(yōu)點(diǎn)，但在極端條件下存在安全隱患；常用的改性方法是在電解液中加入高閃點(diǎn)、高沸點(diǎn)、不易燃的溶劑，以一定程度上改善電解質(zhì)的安全性，但并不能從本質(zhì)上解決電解質(zhì)的易燃、易爆、易泄漏等問題，難以杜絕電池的本征安全隱患。因此，開發(fā)高能量密度、高安全性的新型電解質(zhì)體系，是當(dāng)前研發(fā)熱點(diǎn)，尤其是將傳統(tǒng)有機(jī)液體電解液替換成固態(tài)電解質(zhì)受到更多關(guān)注。
固態(tài)電池技術(shù)尚處于研發(fā)和中試階段。采用不可燃的電解質(zhì)替代有機(jī)電解液，具有高安全性、高能量密度、高功率密度的優(yōu)點(diǎn)，受到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。固態(tài)電池的量產(chǎn)和商業(yè)化面臨著眾多挑戰(zhàn)，如電解質(zhì)離子電導(dǎo)率、機(jī)械性能等材料問題，電極材料與電解質(zhì)界面的相容性等界面問題。研制高壓穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)是保障電池安全運(yùn)行的關(guān)鍵工作。固態(tài)電解質(zhì)作為固態(tài)電池的核心材料，按照組分分為固態(tài)聚合物電解質(zhì)、氧化物電解質(zhì)、鹵化物電解質(zhì)、硫化物電解質(zhì)等。然而，大多數(shù)現(xiàn)有的固態(tài)電解質(zhì)，其室溫電導(dǎo)率未能達(dá)到1 mS/cm的基本要求。為此，后續(xù)研發(fā)集中在將傳統(tǒng)的固態(tài)電解質(zhì)改性以提高離子電導(dǎo)率、具有高的離子電導(dǎo)率的新型固體電解質(zhì)等方面。
硫化物電解質(zhì)在室溫下具有較高的離子電導(dǎo)率、良好的機(jī)械性能、較低的晶界電阻、與電極材料接觸性好等優(yōu)點(diǎn)，在眾多的無機(jī)電解質(zhì)中脫穎而出；但在空氣中的穩(wěn)定性差，易與水汽發(fā)生反應(yīng)而釋放出有毒的H2S，生產(chǎn)環(huán)境要求苛刻、生產(chǎn)成本較高，制約了規(guī)?；a(chǎn)與應(yīng)用。通過原子摻雜進(jìn)行改性，可解決硫化物在空氣中的不穩(wěn)定問題。例如，通過軟酸置換，得到Sn取代的Li6PS5I、Sb取代的Li10GeP2S12，相應(yīng)的空氣穩(wěn)定性、離子電導(dǎo)率均顯著提高。開發(fā)了包括PEO、β-Li3PS4/S在內(nèi)的多種強(qiáng)兼容性的界面保護(hù)層，以減輕硫化物與界面之間的副反應(yīng)。通過一系列的表征，明確了硫化物SE Li7P3S11與有機(jī)LE Li-BP-DME之間的界面反應(yīng)機(jī)制，據(jù)此設(shè)計(jì)了二者之間穩(wěn)定的界面層材料。在產(chǎn)業(yè)化方面，日本、韓國企業(yè)建立了硫化物電解質(zhì)的試制線（年產(chǎn)量分別為10 t、24 t），驗(yàn)證了硫化物固態(tài)電解質(zhì)的量產(chǎn)可行性。
近期，鹵化物電解質(zhì)開始受到較多關(guān)注。開發(fā)的氧氯化物固態(tài)電解質(zhì)（Li1.75ZrCl4.75O0.5）在室溫下的離子電導(dǎo)率高達(dá)2.42 mS/cm，超過大多數(shù)鹵化物固態(tài)電解質(zhì)；具有良好的可變形性，在300 MPa冷壓后的相對密度高達(dá)94.2%，超過了以良好可變形性著稱的Li10GeP2S12、Li6PS5Cl、Li2ZrCl6、Li3InCl6等固態(tài)電解質(zhì)。作為原料的LiCl、LiOH·H2O、ZrCl4價(jià)格低廉，如Li1.75ZrCl4.75O0.5的原材料成本僅為11.6美元/kg，遠(yuǎn)低于固態(tài)電池的市場競爭力門檻值（50美元/kg）。據(jù)近期報(bào)道，日本東京工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用高熵材料開發(fā)了具有高鋰離子電導(dǎo)率的固態(tài)電解質(zhì)，同時(shí)保持了超離子傳導(dǎo)的結(jié)構(gòu)框架；室溫下的離子電導(dǎo)率為32 mS/cm，約為原始固態(tài)電解質(zhì)的3倍，也是迄今已知的最高值。
液流電池具有長循環(huán)壽命、高安全性、高能量效率等優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)電解液中活性物質(zhì)的不同可分為全釩液流電池、鐵鉻液流電池、鋅鐵液流電池等。全釩液流電池是研發(fā)工作最為充分、適用于大規(guī)模儲能的液流電池類型，仍面臨著關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題，如電堆內(nèi)部流體、濃度、溫度等多場協(xié)同分布的均勻性不佳，材料與容量的衰退，功率及能量密度偏低，綜合應(yīng)用成本偏高等。為此，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了新型可焊接多孔離子傳導(dǎo)膜，改進(jìn)了全釩液流電池的電堆工藝。在全釩液流電池的新型電堆方案中，革新傳統(tǒng)的組裝方式，將激光焊接技術(shù)應(yīng)用于電堆集成，提高了電堆的可靠性和裝配自動化程度，降低了密封材料用量和電堆成本。制備新膜、提高電極性能、改善電解質(zhì)等，是全釩液流電池材料后續(xù)研發(fā)的主攻方向。我國加快推進(jìn)全釩液流電池的產(chǎn)業(yè)化，國華能源投資有限公司在綜合智慧能源項(xiàng)目中啟動建設(shè)全釩液流儲能電站（2022年），開展了世界最大的液流儲能電站（100 MW/400 MW·h）單體模塊調(diào)試（2023年）。
4. 隔膜
隔膜位于正、負(fù)極材料之間，是阻止正、負(fù)極接觸以防止短路，保證電池體系安全的關(guān)鍵材料。雖然隔膜不參與電池中的反應(yīng)，但其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)影響電池動力性能，決定著電池循環(huán)壽命、安全性、能量密度、功率密度等。已經(jīng)商業(yè)化的鋰離子電池隔膜以聚烯烴類有機(jī)隔膜為主，具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，但作為高分子材料在高溫環(huán)境下易發(fā)生物相變化。例如，有機(jī)隔膜在130~150 ℃條件下會發(fā)生急劇收縮甚至融化，導(dǎo)致電池短路，嚴(yán)重時(shí)會引發(fā)起火、爆炸等事故。
針對以上缺陷，研究人員在傳統(tǒng)的聚烯烴膜基礎(chǔ)上開發(fā)多種類型的隔膜（提高熱穩(wěn)定性）。北京理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在量產(chǎn)隔膜的兩側(cè)原位生長聚多巴胺，得到雙面聚多巴胺改性隔膜；在鋰硫電池應(yīng)用中，朝向硫正極一側(cè)的聚多巴胺作為物理屏障和化學(xué)吸附層以阻擋多硫化物的穿梭，朝向鋰金屬負(fù)極一側(cè)的聚多巴胺提高負(fù)極和隔膜之間的相互作用力以防止鋰枝晶生長，正、負(fù)極兩側(cè)的聚多巴胺均選擇性透過鋰離子以阻擋多硫化物穿梭。在具有三維納米纖維結(jié)構(gòu)的聚氨脂中，采用靜電紡絲技術(shù)制備了含填充陶瓷材料的新型隔膜，這種薄膜具有更小的平均孔徑（1.08 μm）、更高的孔隙率（63.7%）、更高的吸液率（371%）、更高的離子電導(dǎo)率（0.65 mS/cm），在211 ℃條件下熱穩(wěn)定、機(jī)械性能較好、無明顯收縮。陶瓷隔膜改性雖然提高了隔膜的耐熱性、吸液 / 保液性、電池安全性，但會增加隔膜厚度和電池內(nèi)阻，使電池能量密度降低、隔膜成本增加。從安全性能、快充性能、循環(huán)壽命等角度看，芳綸涂覆全面超出陶瓷涂覆，具有更優(yōu)異的性能。隨著儲能電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，芳綸涂覆隔膜的市場快速拓寬。目前，國際主流的電動汽車用鋰電池多采用芳綸涂覆隔膜，使得市場供應(yīng)形勢趨緊。
（三）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)持續(xù)創(chuàng)新
儲能電池制造工藝分布于從上游原材料到芯包再到成品電池的全流程。按照封裝方式、電芯形狀的不同，儲能電池主要分為方形電池、圓柱電池、軟包電池。電池封裝工藝的發(fā)展趨勢，究其本質(zhì)是在保證安全性的前提下提升電池能量密度的上限。圓柱電池一般是全極耳電池，相對方形電池的制備工藝而言，取消了前段工序中的模切制片工藝。軟包電池是使用了鋁塑包裝膜作為包裝材料的電芯，其工藝與方形電池的不同點(diǎn)起始于卷繞工藝，而前段工藝基本一致。一般認(rèn)為，軟包外殼的支撐較弱，而方形、圓柱電池更適合開展結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。
國際主流的電動汽車商采用新一代4680圓柱電池，其核心創(chuàng)新工藝是大電芯+全極耳+干電池技術(shù)；采用了CTC（Cell to Chassis）電池架構(gòu)，將電池直接集成在電動車底盤上（取消了4680電池陣列上的電池蓋板），4680單體電芯的能量提高至2170電芯的5倍，使整車?yán)m(xù)航里程增加16%。寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司依據(jù)電化學(xué)本質(zhì)，持續(xù)開展電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新；2019年率先推出了無模組電池包（CTP）產(chǎn)品，電池體積利用率超過50%；2022年推出了第三代CTP產(chǎn)品，通過材料、電芯、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等的全面優(yōu)化，完全取消了模組形態(tài)設(shè)計(jì)，使電池的體積利用率超過72%，配用三元電池系統(tǒng)、磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)的能量密度分別提升至255 W·h/kg、160 W·h/kg。比亞迪股份有限公司研發(fā)的刀片電池，優(yōu)勢體現(xiàn)在磷酸鐵鋰電池的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，即改變了電池的單體形狀并直接布置在電池包內(nèi)（無模組化）；疊片工藝在安全性、能量密度、工藝控制等方面相比卷繞工藝更具優(yōu)勢，使磷酸鐵鋰系統(tǒng)能量密度>150 W·h/kg并兼顧了安全性。
四、電化學(xué)儲能技術(shù)發(fā)展趨勢及面臨的挑戰(zhàn)
（一）電化學(xué)儲能技術(shù)發(fā)展趨勢
1. 制備工藝趨向標(biāo)準(zhǔn)化
《國家發(fā)展改革委 國家能源局關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見》（2021年）提出，完善和優(yōu)化儲能項(xiàng)目管理程序，健全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和檢測認(rèn)證體系，提升行業(yè)建設(shè)運(yùn)行水平。在行業(yè)政策層面，電化學(xué)儲能產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性依然是重點(diǎn)監(jiān)督內(nèi)容。電池制備工序繁多，單一工序的制造問題都會影響成品電芯的質(zhì)量。研究儲能電池的智能分選優(yōu)化技術(shù)，針對不同電化學(xué)性能的電池進(jìn)行科學(xué)分類，減少電池組中單體電池的不一致性，提高電池組的容量使用率和循環(huán)壽命。
2. 技術(shù)趨向優(yōu)質(zhì)化、智能化、數(shù)字化
安全問題一直是儲能行業(yè)發(fā)展的重中之重。液流電池、鉛酸電池具有較好的安全性，能夠滿足電化學(xué)儲能電站的要求，但需要嚴(yán)格控制電池充電截止電壓，防止水溶液過壓電解后析氫爆炸。鋰離子電池安全隱患較為突出，工作溫度達(dá)到極限時(shí)氧化劑和還原劑均易與電解液發(fā)生大量生熱的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象。開發(fā)固態(tài)電池技術(shù)是解決相應(yīng)安全隱患、提升能量密度的可行方向，而當(dāng)前研究仍處在實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化的孵化階段，固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率等技術(shù)難點(diǎn)有待突破。
智能化的儲能電池管理系統(tǒng)，易于匹配各個(gè)電池單元設(shè)計(jì)方案，可在最大程度上將電池管理系統(tǒng)（BMS）、能量管理系統(tǒng)、儲能變流器等軟 / 硬件緊密耦合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測、消防安全資源一體化、電池健康狀態(tài)可視化?；陂L期積累的專業(yè)數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等信息技術(shù)，建立高質(zhì)量的仿真模型，支持開展電化學(xué)儲能智能運(yùn)維；可靠預(yù)測電池全生命周期狀態(tài)、循環(huán)壽命、能量輸出、功率價(jià)值等關(guān)鍵參數(shù)，開展電池效率的精準(zhǔn)評價(jià)，增強(qiáng)儲能系統(tǒng)的精細(xì)化、自適應(yīng)控制能力，實(shí)現(xiàn)儲能系統(tǒng)高效運(yùn)行和充分利用。
在制造過程中，儲能電池趨向于原材料、裝備、工藝、輔材、人工等均使用數(shù)字編碼定義。建立數(shù)字化的電池器件制造車間，在制造過程中引入制造參數(shù)及質(zhì)量的在線檢測能力，閉環(huán)制造工藝調(diào)整過程。例如，對電池生產(chǎn)過程中的各種原材料、產(chǎn)品生產(chǎn)步驟進(jìn)行跟蹤并記錄，確保電芯的制造質(zhì)量；對于存在問題的電芯，可追溯制造過程并檢驗(yàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性。
（二）電化學(xué)儲能技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)
1. 產(chǎn)品規(guī)格不統(tǒng)一
當(dāng)前，儲能電池產(chǎn)品的尺寸、形狀、容量、電壓各不相同，不具有通用性，不僅給新能源汽車、儲能電站研發(fā)企業(yè)的匹配、選型、采購帶來了困擾，也不利于儲能電池企業(yè)的規(guī)?；a(chǎn)和制造成本優(yōu)化，進(jìn)而阻礙了規(guī)模化和標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用。儲能電池規(guī)格的不統(tǒng)一，直接導(dǎo)致產(chǎn)品互換性較差；電池使用者每開發(fā)一種產(chǎn)品，就對儲能電池提出新增需求，再由電池制造企業(yè)調(diào)整生產(chǎn)工序以對產(chǎn)品進(jìn)行定制化生產(chǎn)，不利于集約化、高效化生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。電池制造工序繁雜，若同時(shí)生產(chǎn)規(guī)格過多的電池，將顯著加大電池制造信息獲取、質(zhì)量檢測、工藝分析等環(huán)節(jié)的難度及成本。電池種類繁多，也將加大退役電池回收再利用的難度。
2. 檢測平臺不完善
隨著儲能電池產(chǎn)品的規(guī)?；瘧?yīng)用，各類應(yīng)用場景下的不同運(yùn)行工況導(dǎo)致了特性各異的電池老化失效機(jī)制，而電池老化對整個(gè)儲能系統(tǒng)的可靠運(yùn)行有著關(guān)鍵影響。目前，“材料 – 器件 – 系統(tǒng)”的連續(xù)研發(fā)評價(jià)模式尚未形成，全生命周期內(nèi)的原位表征技術(shù)及模擬計(jì)算方法也待發(fā)展。為了滿足市場對儲能電池產(chǎn)品的應(yīng)用需求，亟需研究服役工況下電化學(xué)儲能器件與系統(tǒng)的原位實(shí)時(shí)表征技術(shù)，從“材料篩選 – 器件制備 – 電池選型 – 電池性能測試 – 失效機(jī)制分析”的全流程出發(fā)，形成電池產(chǎn)品的全生命周期評價(jià)系統(tǒng)；探索應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)，構(gòu)建兼顧精度和可靠性的分析方法。
3. 理論與實(shí)踐不貫通
關(guān)鍵材料研究是發(fā)展電化學(xué)儲能技術(shù)的基礎(chǔ)。當(dāng)前的儲能材料研發(fā)高度依賴研究者的“嘗試法”實(shí)驗(yàn)、積累經(jīng)驗(yàn)與科學(xué)直覺，實(shí)驗(yàn)室研究也無法滿足各類應(yīng)用場景對儲能器件能量密度、功率密度、循環(huán)壽命的需求。需要采取由應(yīng)用驅(qū)動的“逆向思維”來設(shè)計(jì)材料結(jié)構(gòu)。發(fā)揮大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)對相關(guān)模擬計(jì)算的賦能作用，面向各類具體應(yīng)用場景，針對性開展儲能系統(tǒng)、儲能器件、關(guān)鍵材料設(shè)計(jì)并挖掘有效組合；以基礎(chǔ)技術(shù)創(chuàng)新提高電池材料和組件的研發(fā)水平，促進(jìn)電池的優(yōu)質(zhì)制造與規(guī)?；渴?。在工業(yè)應(yīng)用背景下開展相關(guān)基礎(chǔ)研究，立足現(xiàn)實(shí)條件對新材料及組件技術(shù)進(jìn)行交叉驗(yàn)證，加快確定科學(xué)的選材方向以加速推動電池技術(shù)演進(jìn)。
4. 應(yīng)用成本不理想
儲能的成本問題一直是制約商業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展的瓶頸因素。以當(dāng)前的主流產(chǎn)品為例，百兆瓦級鋰離子電池的全生命周期內(nèi)成本最低約為0.67元/kW·h，明顯高于抽水蓄能成本（0.21~0.25元/kW·h）。近年來，我國儲能技術(shù)盡管進(jìn)步明顯，但與發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)水平相比仍存在差距。電化學(xué)儲能主要用于調(diào)頻、容量備用等，如美國賓夕法尼亞 – 新澤西 – 馬里蘭市場中調(diào)頻輔助服務(wù)約有80%采用鋰離子電池，澳大利亞參與調(diào)頻的在運(yùn)儲能裝機(jī)（110 MW）中約有98%采用鋰離子電池。電化學(xué)儲能的優(yōu)勢在于響應(yīng)能力快速、地理環(huán)境要求不高，更適合較高功率要求的應(yīng)用場合；但在較高放電時(shí)長需求的調(diào)峰方向，相應(yīng)技術(shù)成本尚難以與傳統(tǒng)發(fā)電資源競爭。
五、我國電化學(xué)儲能技術(shù)發(fā)展方向與建議
（一）發(fā)展目標(biāo)
面向“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，以產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展、示范應(yīng)用為牽引，針對實(shí)際應(yīng)用場景下的電化學(xué)儲能性能需求，以電化學(xué)儲能關(guān)鍵材料和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新為主攻方向，深化電化學(xué)儲能技術(shù)體系的基礎(chǔ)創(chuàng)新與應(yīng)用研究。建設(shè)并完善關(guān)鍵材料的研發(fā)、測試、應(yīng)用驗(yàn)證智能化平臺，盡快形成自主可控的關(guān)鍵核心技術(shù)體系，推動儲能技術(shù)發(fā)展，促進(jìn)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型。
到2025年，運(yùn)用低碳化、數(shù)字化、智能化方法，健全電化學(xué)儲能標(biāo)準(zhǔn)體系，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)自主可控；能量型鋰離子電池的單體比容量≥300 W·h/kg，功率型和混合型電池的單體比容量≥200 W·h/kg，通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)材料利用率≥92%；基本建成儲能電池的模型化、數(shù)字化體系，顯著提升產(chǎn)品性能及制造技術(shù)水平；電化學(xué)儲能累計(jì)裝機(jī)規(guī)?！?0 GW，系統(tǒng)綜合成本降低30%以上。
到2035年，全面掌握鋰離子電池、鈉離子電池、新體系電池的的儲能單元、系統(tǒng)集成、模塊以及智能制造技術(shù)；鋰電池的單體比能量≥500 W·h/kg，半固態(tài)電池、全固態(tài)鋰電池、鋰硫電池等新體系電池的比能量≥400 W·h/kg，循環(huán)次數(shù)≥1000次，材料利用率≥98%；儲能電池產(chǎn)業(yè)鏈成熟，全面實(shí)現(xiàn)智能化制造；電化學(xué)儲能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模≥110 GW，與電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)深度融合，滿足新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建需求。
（二）發(fā)展方向
1. 高性能、高安全性、低成本的關(guān)鍵材料
開發(fā)高比容量、高電壓鋰離子電池 / 鈉離子電池的正極材料，通過過渡金屬取代、表面修飾、體相摻雜等方式改善深脫離狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和放電電壓。開發(fā)高穩(wěn)定性、高容量的負(fù)極材料，解決充 / 放電過程中體積膨脹、導(dǎo)電性差等問題；開發(fā)高電壓、高安全性、寬溫區(qū)的新型固態(tài)電解質(zhì)，闡明電極材料與電解質(zhì)的界面特性。攻關(guān)隔膜制備工藝及技術(shù)，開發(fā)高安全性、防短路、耐熱的隔膜類型，提升鋰離子電池的能量密度、功能密度、循環(huán)壽命、安全性并降低產(chǎn)品成本。針對鋰硫電池、鋰空電池、全固態(tài)電池等新體系電池，前瞻研究電池反應(yīng)新原理與新機(jī)制、電極反應(yīng)動力學(xué)調(diào)控機(jī)制及改性策略，提高技術(shù)成熟度以逐步適應(yīng)工程應(yīng)用。
2. 儲能器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化及評價(jià)
開發(fā)高能量、高功率、長壽命、低成本的儲能器件，設(shè)計(jì)和優(yōu)化電芯結(jié)構(gòu)，通過工藝過程、裝備標(biāo)準(zhǔn)化控制等技術(shù)手段提高單體電池的一致性。研究材料結(jié)構(gòu)、表面、界面、器件與電化學(xué)性能的關(guān)聯(lián)及規(guī)律，發(fā)展電池性能、安全狀態(tài)的在線智能診斷及預(yù)警技術(shù)，闡明電池安全影響因素與失效機(jī)制。針對儲能過程“熱 – 電 – 力”耦合模型和壽命衰減，突破仿真分析、測試驗(yàn)證、智能檢測、精密控制等技術(shù)難點(diǎn)，改善電池制造效率和產(chǎn)品質(zhì)量。推進(jìn)儲能器件規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化，提高電池梯次利用、器件互換的便利性，促進(jìn)低損耗、低投入、高效率的拆解技術(shù)發(fā)展，建設(shè)智能化、高效率、低成本的鋰電池回收生產(chǎn)線。
3. 儲能系統(tǒng)多能互補(bǔ)及智能化設(shè)計(jì)
針對新型電力系統(tǒng)不同應(yīng)用場景對儲能器件的需求，研發(fā)儲能系統(tǒng)與電池器件的智慧協(xié)同控制關(guān)鍵技術(shù)。基于能量信息化處理、動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，建立服役工況下電化學(xué)儲能器件的在線原位實(shí)時(shí)監(jiān)測表征方法；針對全部單體電芯及模組，實(shí)時(shí)采集電池端的溫度、電壓、充 / 放電電流數(shù)據(jù)，基于統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)合理規(guī)避電池的過充、過放現(xiàn)象。運(yùn)用大數(shù)據(jù)、可視化、BMS優(yōu)化等技術(shù)，對電池組開展實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析及均衡管理，保持電池狀態(tài)的趨同性，從使用過程出發(fā)改善電池的一致性問題。
圖1 電化學(xué)儲能技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究框架
4. 電化學(xué)儲能商業(yè)化應(yīng)用模式
立足電力系統(tǒng)的實(shí)際需求，提煉“源網(wǎng)荷”側(cè)電化學(xué)儲能應(yīng)用場景并推動儲能規(guī)?；l(fā)展，切實(shí)解決新能源發(fā)電的有效消納問題。重點(diǎn)依托“新能源+儲能”、基地電力開發(fā)外送等模式，合理布局發(fā)電側(cè)儲能，建立電力“源網(wǎng)荷儲”一體化模式；靈活布局用戶側(cè)新型儲能，發(fā)揮供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的輔助保障作用。健全調(diào)度運(yùn)行機(jī)制，促進(jìn)新型儲能發(fā)揮電力、電量雙調(diào)節(jié)的功能。部署高效率、低成本、高安全性的儲能裝備，提升儲能系統(tǒng)集成的專業(yè)化水平，實(shí)現(xiàn)儲能系統(tǒng)與用能設(shè)備之間的良好適配。以電化學(xué)儲能為代表的新型儲能是能源革命的關(guān)鍵支撐技術(shù)，本研究針對性提出了發(fā)展戰(zhàn)略研究框架（見圖1）。
（三）發(fā)展建議
1. 聚焦儲能技術(shù)攻關(guān)，強(qiáng)化試點(diǎn)示范應(yīng)用
針對高安全性、長循環(huán)、低成本的電化學(xué)儲能系統(tǒng)開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，前瞻部署下一代電池體系研發(fā)，以電池技術(shù)進(jìn)步驅(qū)動規(guī)?；袌鰬?yīng)用。引導(dǎo)高校、企業(yè)、科研院所聯(lián)合開展技術(shù)攻關(guān)，建設(shè)“產(chǎn)學(xué)研”協(xié)同的儲能技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)基地。重點(diǎn)發(fā)展關(guān)鍵核心材料，優(yōu)化制備技術(shù)，探索新型電化學(xué)儲能應(yīng)用場景，著力推進(jìn)試點(diǎn)示范項(xiàng)目。遴選優(yōu)勢企業(yè)、明確重點(diǎn)場景，以“揭榜掛帥”方式推進(jìn)新型儲能應(yīng)用示范企業(yè)與示范場景建設(shè)。
2. 聚焦安全發(fā)展需求，制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系
科學(xué)制定行業(yè)政策、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、評價(jià)體系，及時(shí)完善電化學(xué)儲能產(chǎn)業(yè)國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，注重技術(shù)開發(fā)、產(chǎn)業(yè)布局、安全控制的頂層設(shè)計(jì)與縱向統(tǒng)籌。根據(jù)儲能發(fā)展形勢、安全運(yùn)行的需要，開展主導(dǎo)應(yīng)用場景的儲能標(biāo)準(zhǔn)制定和修訂，建立覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。從儲能標(biāo)準(zhǔn)體系的頂層設(shè)計(jì)出發(fā)，加強(qiáng)儲能標(biāo)準(zhǔn)體系與現(xiàn)行能源電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的銜接，推動儲能標(biāo)準(zhǔn)的落地實(shí)施。
3. 聚焦智能平臺能力，完善基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)
以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、區(qū)塊鏈為支撐，構(gòu)建智慧管理平臺系統(tǒng)，用于電化學(xué)儲能系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度、在線監(jiān)控、安全預(yù)警、運(yùn)行評估等。鼓勵采用電化學(xué)儲能作為數(shù)據(jù)中心、5G基站的多元化儲能及備用電源裝置，支持建設(shè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、工程研究中心、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心等技術(shù)與發(fā)展研究平臺。創(chuàng)建新型儲能關(guān)鍵材料與工程化應(yīng)用平臺、新型結(jié)構(gòu)與安全防護(hù)管理系統(tǒng)平臺、新型儲能資源再生創(chuàng)新中心，以機(jī)制創(chuàng)新為突破口，實(shí)現(xiàn)科技成果向產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化。強(qiáng)化新型儲能的應(yīng)用示范、檢測評價(jià)等平臺作用。
4. 聚焦學(xué)科長遠(yuǎn)發(fā)展，培育儲能人才團(tuán)隊(duì)
加強(qiáng)電化學(xué)儲能學(xué)科建設(shè)，鼓勵多學(xué)科交叉，實(shí)施“產(chǎn)教融合”人才培養(yǎng)模式，增強(qiáng)技術(shù)人才的理論與應(yīng)用水平。著重培育電化學(xué)儲能基礎(chǔ)研究人才團(tuán)隊(duì)，加大儲能技術(shù)基礎(chǔ)研究投入力度，注重知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)?；诿嫦驊?yīng)用的儲能學(xué)科特征，革新應(yīng)用型科技人才的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)高校、科研院所的人才團(tuán)隊(duì)主動對接企業(yè)實(shí)際需求。面向大規(guī)模可再生能源消納的專業(yè)發(fā)展目標(biāo)，加快電化學(xué)儲能專業(yè)發(fā)展，更好支撐長周期儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。在主要能源企業(yè)中，擇優(yōu)設(shè)立儲能方向的博士后工作站，促進(jìn)高水平儲能科技人才成長。
